Российские учёные управляют синтезом наноструктур с помощью полей

Использование в качестве управляющего фактора внешнего электрического и магнитного полей позволяет контролировать структуру синтезированных наночастиц. Подробности исследований, касающихся этого вопроса, будут опубликованы в майском номере журнала «Российские нанотехнологии». Работа проводилась в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007–2012 годы».

Существует большое количество методов получения наночастиц. Но эти методы имеют один существенный недостаток: зачастую в результате синтеза получаются разнородные по своей структуре и строению частицы. В то же время наукоёмким отраслям производства, например электронике, требуется большое количество абсолютно одинаковых и стандартизированных наночастиц. Поэтому исследователям приходится учиться эффективно отбирать нужные наночастицы из общей массы и изобретать новые методы синтеза, позволяющие увеличить их процентное содержание.

Рис.1. Лазерный синтез углеродных наноструктур
в однородном электрическом поле: 1 – направление
действия лазерного излучения; 2 – металлические
пластины под постоянным электрическим
напряжением; 3 – координатный столик с образцом
графита на нём.

Для того чтобы процентный выход необходимых частиц был высоким, нужно уметь управлять процессом синтеза. Учёные из Владимирского государственного университета и ЗАО НТ-МДТ нашли способ контролировать структуру наночастиц, полученных методом испарения мишени под действием лазера. Для этого учёные помещали испаряемый образец из чистого графита в постоянное электрическое и неоднородное магнитные поля.

В первом случае (рис.1) синтез протекал следующим образом. Под действием лазера происходило испарение и ионизация атомов графитовой мишени. За счёт действия внешнего электрического поля ионизированные атомы отклонялись от основного потока в сторону отрицательно заряженной пластины.

Исследование с помощью электронного микроскопа осаждённого на пластине слоя позволило учёным подтвердить, что происходит формирование углеродных нановолокон. Путём уменьшения напряжения на обкладках удалось управлять процессом осаждения. В результате этого происходило изменение структуры осаждённых частиц – получались нанокластеры, имеющие структуру фракталов, которые были охарактеризованы методами фрактальной геометрии.

Рис. 2. Лазерный синтез углеродных наноструктур в неоднородном магнитном поле: 1 – направление действия лазерного излучения; 2 – цилиндрические магниты; 3 – холодная подложка (стекло); 4 – прокладка; 5 – графитовая мишень.

Во втором случае, при синтезе в неоднородном магнитном поле (рис.2), тот же самый образец чистого графита помещался в неоднородное поле между двумя магнитами. Только в данном случае испарённые под действием лазера атомы мишени осаждались на подложку, расположенную над ней. С целью создания зазора для распространения плазмы, возникающей при воздействии лазерного пучка на мишень, между подложкой и мишенью размещалась керамическая шайба-прокладка.

Изучение осаждённого слоя позволило учёным утверждать, что процесс образования наноструктурированного углеродного слоя был подобен росту дендритов. На первом этапе на подложке происходило формирование «зародышей», небольших агрегатов атомов, от которых, подобно дереву, ветвились и разрастались структуры дендритов.

Изменяя магнитное поле, по мнению исследователей, можно изменять режим осаждения, что приводит к возможности формирования необходимых «зародышей». Структура «зародышей», в свою очередь, отвечает за дальнейший рост дендритов.

Анализируя полученные результаты, учёные пришли к выводу, что электрическое поле необходимым образом ориентирует поток распространяющихся частиц вдоль своих силовых линий. В результате такой ориентации становится возможным образование химических связей между атомами и происходит направленное формирование нановолокон. Аналогичные рассуждения верны и для процесса распространения частиц в магнитном поле, однако за счёт того, что поле существенно неоднородно, наблюдается формирование дендритных структур.

По мнению учёных, описанные методы получения наноструктур представляются достаточно перспективными. Используя изменение величины электрического или магнитного поля, можно целенаправленно регулировать процесс формирования наноструктур.

Источник информации:

А. А. Антипов, C. М. Аракелян, С. В. Кутровская, А. О. Кучерик, А. В. Осипов, В. Г. Прокошев, А. А. Щекин Лазерный синтез углеродных нановолокон и нанокластеров. – Российские нанотехнологии. – том 6. – № 5–6.

Источник(и):

1. Наука и технологии РФ